底座自適應(yīng)式壓電陶瓷激振裝置研究

佘東生,洪以平,陳亞男,田江平

(1.渤海大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧錦州 121013;2.大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,遼寧大連 116023)

微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical system, MEMS)在軍事、國防、汽車、航空航天等很多領(lǐng)域都有了越來越廣泛的應(yīng)用,研究如何控制和改善微機(jī)電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命已經(jīng)變得越來越重要[1-5]。微機(jī)電系統(tǒng)的這些性能指標(biāo)與其內(nèi)部核心部件的機(jī)械特性和材料特性息息相關(guān),比如固有頻率、品質(zhì)因數(shù)、模態(tài)振型、彈性模量、殘余應(yīng)力、泊松比、熱膨脹系數(shù)和彈性模量溫度系數(shù)等,因此,針對上述特性參數(shù)開展測試研究具有非常重要的意義。

固有頻率是微機(jī)電系統(tǒng)中核心可動(dòng)部件的關(guān)鍵參數(shù),精確地獲取核心可動(dòng)微結(jié)構(gòu)的固有頻率,一方面有助于評(píng)估器件的使用性能,另一方面也可以為進(jìn)一步改進(jìn)器件的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)提供重要的依據(jù)。由于核心可動(dòng)微結(jié)構(gòu)具有尺寸小、頻率高等特點(diǎn),準(zhǔn)確測試其固有頻率需要同時(shí)使用帶寬高、非接觸式的測振方法和激勵(lì)方法?；诩す舛嗥绽占夹g(shù)的測振方法具有帶寬大、光學(xué)非接觸和分辨率高等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在MEMS微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性測試當(dāng)中,具備很好的測振效果[6-10];目前主流的非接觸式激勵(lì)方法是基于壓電陶瓷(Piezoelectric ceramics, PZT)的底座激勵(lì)方法,該方法在微結(jié)構(gòu)的片外振動(dòng)激勵(lì)中被廣泛地使用,但該方法在具體實(shí)現(xiàn)方式上仍存在一定的缺陷,亟待改進(jìn)。

Burdess等[11]在所制作的微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)當(dāng)中使用了單片式壓電陶瓷圓片作為激勵(lì)裝置的核心激勵(lì)部件,他們將壓電陶瓷片粘接在一個(gè)彈性支承件的底部,將微結(jié)構(gòu)安裝在彈性支承件的頂部,形成底座激勵(lì)裝置,但這種單片式的壓電陶瓷激勵(lì)能力有限,所需的驅(qū)動(dòng)電壓也很高;Wang等[12]制作了一種基于壓電陶瓷的底座激勵(lì)裝置,在該裝置中使用了疊堆壓電陶瓷進(jìn)行驅(qū)動(dòng),壓電陶瓷被安裝在一個(gè)十字彈簧底座上,通過底座的隔振效應(yīng)可以降低外部振動(dòng)對測試結(jié)果的影響,不過這種設(shè)計(jì)方式同時(shí)也將底座結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)耦合進(jìn)測試結(jié)果當(dāng)中,增加了模態(tài)參數(shù)辨識(shí)的難度;Van等[13]制作了一種可應(yīng)用在液體環(huán)境下的壓電陶瓷底座激勵(lì)裝置,他們在壓電陶瓷兩端均安裝了匹配質(zhì)量塊,在兩個(gè)匹配質(zhì)量塊的配合下,可更容易調(diào)節(jié)激勵(lì)裝置的輸出特性,不過這種底座激勵(lì)裝置更適合對頻率較低的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì),激振帶寬不高,同時(shí)也沒有考慮到壓電陶瓷受到橫向剪切力會(huì)被損壞的問題;佘東生等[14]制作了一種具有可動(dòng)底座結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷激勵(lì)裝置,對比其他基于壓電陶瓷的底座激勵(lì)裝置,該裝置在保證有效激勵(lì)帶寬的前提下,從一定程度上解決了疊堆壓電陶瓷安裝上所存在的問題,具備較好的適用性。不過該裝置仍存在下列問題:可動(dòng)底座結(jié)構(gòu)中的鋼球和上、下聯(lián)接塊之間均采用線接觸方式進(jìn)行配置,這會(huì)導(dǎo)致鋼球無法平滑的轉(zhuǎn)動(dòng),底座結(jié)構(gòu)被卡死;十字彈簧片在工作過程中會(huì)出現(xiàn)較大的變形,導(dǎo)致安裝于其上的微結(jié)構(gòu)容易發(fā)生脫落。

綜上,針對現(xiàn)有的基于壓電陶瓷底座激勵(lì)裝置中所存在的缺陷,設(shè)計(jì)并制作一種可以解決疊堆壓電陶瓷安裝問題和微結(jié)構(gòu)固定問題的底座激勵(lì)裝置,搭建面向MEMS微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng),對激勵(lì)裝置的輸出特性進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)研究,并對多種尺寸微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振測試,獲取微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。

1 基于壓電陶瓷的底座激勵(lì)裝置

為了解決目前基于壓電陶瓷的底座激勵(lì)裝置所存在的問題,設(shè)計(jì)了一種底座自適應(yīng)式的壓電陶瓷激勵(lì)裝置,如圖1所示。

在激勵(lì)裝置中,頂板、套筒、底板和4根導(dǎo)向軸組成了激勵(lì)裝置的主體結(jié)構(gòu),起到安裝和支撐的作用。4根導(dǎo)向軸呈圓周均布分布,在套筒的配合下,起到對可動(dòng)底座結(jié)構(gòu)的安裝和調(diào)節(jié)作用?？蓜?dòng)底座結(jié)構(gòu)由下聯(lián)接塊、鋼球和上聯(lián)接塊組成。其中,下聯(lián)接塊的4個(gè)延長臂分別安裝在4根導(dǎo)向軸上,下聯(lián)接塊可以沿著導(dǎo)向軸上下移動(dòng),當(dāng)移動(dòng)到指定位置時(shí),可以通過調(diào)節(jié)軸固定環(huán)上的鎖緊螺釘進(jìn)行固定;上聯(lián)接塊是一個(gè)正八棱柱的塊裝結(jié)構(gòu),在上聯(lián)接塊不相鄰的4個(gè)側(cè)棱面上圓周均布地安裝了4個(gè)球頭柱塞,4個(gè)球頭柱塞頂部的鋼球分別頂入到套筒內(nèi)側(cè)壁上圓周均布的4個(gè)矩形凹槽內(nèi),在上聯(lián)接塊的另外4個(gè)側(cè)棱面上圓周均布的安裝有4個(gè)調(diào)節(jié)桿,4個(gè)調(diào)節(jié)桿分別由套筒內(nèi)側(cè)壁上圓周均布的拱門形缺口伸出至套筒外側(cè),用于調(diào)節(jié)上聯(lián)塊在套筒內(nèi)的位置;鋼球被夾持在上聯(lián)接塊底部球面凹槽和下聯(lián)接塊頂部球面凹槽之間,上聯(lián)接塊底部球面凹槽的曲率半徑和下聯(lián)接塊頂部球面凹槽的曲率半徑均大于鋼球的直徑。設(shè)計(jì)這種可動(dòng)底座結(jié)構(gòu)的好處在于:當(dāng)調(diào)節(jié)可動(dòng)底座結(jié)構(gòu)使安裝于其頂部的壓電陶瓷進(jìn)入工作位置時(shí),由于鋼球和上聯(lián)接塊、下聯(lián)接塊之間均為點(diǎn)接觸,壓電陶瓷所承受的橫向剪切力會(huì)被大幅減少,避免了壓電陶瓷的損壞,并且使調(diào)節(jié)過程平滑流暢。

壓電陶瓷頂部嵌入到一個(gè)安裝蓋內(nèi),通過安裝蓋可以實(shí)現(xiàn)與彈性支承件的充分接觸。彈性支承件通過4個(gè)陶瓷墊片安裝在圓環(huán)狀的頂板上,彈性支承件上有4個(gè)圓周均布的“L”形支撐臂,微結(jié)構(gòu)通過安裝板安裝在彈性支承件頂部中心區(qū)域。這樣設(shè)計(jì)的好處在于:當(dāng)壓電陶瓷在垂直方向有位移輸出時(shí),彈性支承件的4個(gè)“L”形支撐臂隨之產(chǎn)生形變,而在彈性支承件中心用于安裝微結(jié)構(gòu)的部分則不會(huì)產(chǎn)生較大的形變,因此微結(jié)構(gòu)就不會(huì)因?yàn)槟z體裂開而出現(xiàn)和彈性支承件分離的現(xiàn)象,解決了微結(jié)構(gòu)安裝可靠性的問題。

在使用激勵(lì)裝置對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)時(shí),首先沿導(dǎo)向軸向上滑動(dòng)下聯(lián)接塊的延長臂,使可動(dòng)底座結(jié)構(gòu)推動(dòng)壓電陶瓷與彈性支承件相接觸,在到達(dá)指定位置后鎖緊軸固定環(huán),使用外部激勵(lì)電源對壓電陶瓷施加沖擊脈沖信號(hào),可以實(shí)現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)的沖擊激勵(lì)。

2 微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)

所搭建的微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)主要由激光干涉測振單元和壓電陶瓷激振單元組成,如圖2所示。

2.1 激光干涉測振單元

激光干涉測振單元由德國POLYTEC的OFV-3001控制器、OFV-512光學(xué)頭、研華的PCI-1712UL-AE數(shù)據(jù)采集卡和IPC-610L工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成。OFV-3001控制器可以實(shí)現(xiàn)1.5 MHz的測試帶寬,OFV-512光學(xué)頭的激光光斑直徑最小可達(dá)到15 μm。在對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測試時(shí),由OFV-512光學(xué)頭發(fā)射的激光照射到微結(jié)構(gòu)表面指定位置,將獲取到的微結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)送入到OFV-3001控制器中的位移解碼器中進(jìn)行解碼,再經(jīng)PCI-1712UL-AE數(shù)據(jù)采集卡傳送到IPC-610L工業(yè)控制計(jì)算機(jī)當(dāng)中,并由LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行保存。

2.2 壓電陶瓷激振單元

壓電陶瓷激振單元主要由壓電陶瓷激振裝置和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源組成。壓電陶瓷激振裝置根據(jù)前面的設(shè)計(jì)進(jìn)行制作,其中,壓電陶瓷為NanoMotions的PZ 150/7×7×7型疊堆壓電陶瓷促動(dòng)器,諧振頻率為152 kHz,最大輸出力為3 500 N;壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源是以IRF9640大功率MOSFET管為核心元件制作而成,該MOSFET管的導(dǎo)通時(shí)間僅為60 ns,可以實(shí)現(xiàn)對壓電陶瓷的快速充電,可在壓電陶瓷兩極間施加最大170 V的階躍電壓;在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)還設(shè)計(jì)了放電回路,可以用來將壓電陶瓷內(nèi)的殘余電荷釋放掉,避免在下次測試時(shí)出現(xiàn)反向沖擊電壓。

3 測試實(shí)驗(yàn)

3.1 激振裝置激振帶寬測試

首先對壓電陶瓷底座激勵(lì)裝置的動(dòng)態(tài)輸出性能進(jìn)行了測試。在測試時(shí),將OFV-512光學(xué)頭發(fā)射的激光投射到彈性支承件頂部中心位置,再使用壓電陶瓷電源在壓電陶瓷兩極間施加170 V的階躍電壓,由激光干涉測振單元獲取激振裝置的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào),測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,激振裝置的輸出響應(yīng)脈沖上升時(shí)間Δt約為35 μs,最大輸出位移為0.226 μm。激振裝置的激勵(lì)帶寬BW與Δt成反比例關(guān)系,Δt越小則激振帶寬越大。如果將激振脈沖等效為一個(gè)三角脈沖的話,則激振帶寬可表示為[15]

(1)

根據(jù)式(1)可知,壓電陶瓷底座激勵(lì)裝置的激勵(lì)帶寬約為90 kHz,具備良好的激振性能。

3.2 微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性測試

為了進(jìn)一步測試激振裝置的激振性能,采用所搭建的微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)對3種不同尺寸的單晶硅微懸臂梁的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了測試。3種微懸臂梁的結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示,均為矩形結(jié)構(gòu),寬度均為500 μm,厚度均為10 μm,長度則各不相同,其中1#微懸臂梁長度為700 μm, 2#微懸臂梁長度為850 μm, 3#微懸臂梁長度為1 000 μm。

圖4 微結(jié)構(gòu)SEM圖

使用Ansys Workbench軟件對3種微懸臂梁的1階模態(tài)進(jìn)行了仿真分析,仿真時(shí)所使用的單晶硅彈性模量參考值[16]為167 GPa,泊松比為0.278,密度為2 330 kg/m3,仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,1#微懸臂梁1階固有頻率的仿真值為28.66 kHz,2#微懸臂梁1階固有頻率的仿真值為19.39 kHz,3#微懸臂梁1階固有頻率的仿真值為13.98 kHz,均在激勵(lì)裝置的激振帶寬范圍之內(nèi),可以被有效的激勵(lì)起來。

圖5 微結(jié)構(gòu)1階模態(tài)仿真結(jié)果

分別對3種微懸臂梁的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測試。使用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源在壓電陶瓷兩極間施加170 V的階躍電壓,驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)對微懸臂梁的激勵(lì),同時(shí)采用激光干涉測振系統(tǒng)獲取微懸臂梁自由端附近的振動(dòng)響應(yīng),再將所獲取的振動(dòng)響應(yīng)中微結(jié)構(gòu)進(jìn)入自由衰減階段的部分信號(hào)進(jìn)行FFT變換,獲得3種微懸臂梁的1階固有頻率。所獲得的3種微懸臂梁時(shí)域和頻域響應(yīng)信號(hào)如圖6～圖8所示。

圖6 1#微懸臂梁時(shí)頻響應(yīng)

圖7 2#微懸臂梁時(shí)頻響應(yīng)

圖8 3#微懸臂梁時(shí)頻響應(yīng)

由圖6～圖8可知,1#微懸臂梁的1階固有頻率為27.785 kHz,2#微懸臂梁的1階固有頻率為19.012 kHz,3#微懸臂梁的1階固有頻率為13.139 kHz。微懸臂梁的1階固有頻率隨著長度的增大而減小,且每兩個(gè)微懸臂梁固有頻率的比值近似地反比于它們長度平方的比值,這與懸臂梁彎曲振動(dòng)的經(jīng)典理論是相吻合的。

為了獲得微懸臂梁自由衰減振動(dòng)的阻尼比,如圖9所示,首先分別截取1#微懸臂梁0.02～0.18 s的自由衰減振動(dòng)響應(yīng),2#微懸臂梁0.03～0.18 s的自由衰減振動(dòng)響應(yīng),以及3#微懸臂梁0.02～0.18 s的自由衰減振動(dòng)響應(yīng),采用Savitzky-Golay濾波器進(jìn)行平滑處理,然后對平滑處理后響應(yīng)信號(hào)的峰值進(jìn)行非線性擬合,得到每個(gè)微懸臂梁振幅峰值的Ring Down衰減曲線。利用該曲線并使用式(2)可獲得3種微懸臂梁的阻尼比[15]。

圖9 自由衰減振幅擬合曲線

(2)

式中:ζ為微懸臂梁自由衰減振動(dòng)的阻尼比;T為微懸臂梁自由衰減振動(dòng)的周期;x1和x2分別為Ring Down衰減曲線上任意兩點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間值,且x1

由圖6～圖8可得1#微懸臂梁自由衰減振動(dòng)的周期為36 μs, 2#微懸臂梁為52.6 μs,3#微懸臂梁為76.1 μs;3個(gè)微懸臂梁的x1值均選取為0.04 s,x2值均選取為0.06 s,y1和y2則根據(jù)各微懸臂對應(yīng)的Ring Down衰減曲線分別進(jìn)行取值;經(jīng)計(jì)算可得,1#微懸臂梁的阻尼比為0.002 7,2#微懸臂梁的阻尼比為0.003 5,3#微懸臂梁的阻尼比為0.003 1?？梢钥闯?種微懸臂梁的阻尼比均非常小,可以忽略不記,因此,由微懸臂梁自由衰減階段的信號(hào)進(jìn)行FFT變換所獲得的有阻尼固有頻率可以被當(dāng)作其無阻尼固有頻率進(jìn)行分析和討論。

通過動(dòng)態(tài)特性測試實(shí)驗(yàn)所獲得的微懸臂梁固有頻率與仿真結(jié)果存在一定的差異,該差異一方面來源于于測試系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差,另一方面來源于由微加工工藝所導(dǎo)致的微懸臂梁結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)與仿真時(shí)的參考值之間的差異,比如微懸臂梁的長度、寬度、厚度、單晶硅材料的彈性模量和密度等。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種底座自適應(yīng)式的壓電陶瓷激勵(lì)裝置,搭建了微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng),通過對微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)輸出特性和微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的測試實(shí)驗(yàn),得出如下結(jié)論:

1)在激勵(lì)裝置中,采用下聯(lián)接塊、鋼球和上聯(lián)接塊組成的可動(dòng)底座結(jié)構(gòu)可以解決疊堆壓電陶瓷在安裝時(shí)承受較大橫向剪切力的問題,避免了壓電陶瓷的損壞,并且使調(diào)節(jié)過程平滑流暢;

2)在激勵(lì)裝置中,彈性支承件具有4個(gè)L形支撐臂,可以使彈性支承件上安裝微結(jié)構(gòu)的區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)較大形變,能夠解決微結(jié)構(gòu)安裝可靠性的問題;

3)激勵(lì)裝置的激勵(lì)帶寬約為90 kHz,能夠有效激勵(lì)起固有頻率位于該帶寬范圍內(nèi)的微結(jié)構(gòu),具備良好的激振能力。